论文部分内容阅读
鉴于二氧化碳（CO2）的大量排放对大气环境造成的不利影响，越来越多的国家致力于CO2减排。氨基酸离子液体（Amino acid ionic liquids，AAILs）水溶液具有较低的粘度和较高的CO2吸收能力，在碳捕集领域表现出极大的潜力，但对其水溶液捕集CO2的机理尚无明确的论述。此外，本课题组前期研究表明，四甲基铵甘氨酸（Tetramethylammonium glycinate，[N1111][Gly]）水溶液和[N1111][Gly]+AMP（2-amino-2-methyl-1-propanol）复合吸收剂均有较强的CO2吸收能力，但未对其再生性能和热稳定性进行深入研究。因此，本文以[N1111][Gly]水溶液为研究对象，利用核磁共振碳谱技术（13C NMR），表征其吸收和解吸 CO2反应过程中形成的产物，考察不同吸收负荷下，CO2在水溶液中的存在形式及变化趋势，以揭示氨基酸离子液体水溶液捕集CO2的作用机理。采用常压加热法，分别考察[N1111][Gly]浓度、再生温度和再生次数对[N1111][Gly]水溶液和[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂的再生效率和CO2解吸速率的影响。 机理研究表明：[N1111][Gly]水溶液吸收 CO2的过程比传统有机胺的更为复杂。甘氨酸阴离子（[Gly]-）上的氨基先与CO2反应生成氨基甲酸酯（Carbamate），随着吸收剂的损耗，CO2水合反应增强，氨基甲酸酯水解生成甘氨酸和HCO3-，吸收饱和时CO2的存在形态为HCO3-和微量氨基甲酸酯。再生过程则是吸收的逆过程，饱和溶液中的HCO3-先热分解释放CO2，并消耗水中的H+，促使甘氨酸解离为[Gly]-；部分 HCO3-与[Gly]-反应生成氨基甲酸酯，随后氨基甲酸酯受热分解，释放CO2，溶液得以再生。 [N1111][Gly]饱和吸收液的再生实验表明：与AMP相比较，[N1111][Gly]水溶液表现出更好的热稳定性和化学稳定性，多次再生后无副产物产生。浓度为15wt％（质量分数）的[N1111][Gly]水溶液表现出最好的再生性能。当再生温度低于383 K时，再生效率和CO2解吸速率随着再生温度的增大而增大。当再生温度大于383 K时，再生温度的增大对再生效率几乎没有影响，但对CO2解吸速率具有明显的促进作用，且达到完全解吸所需的时间明显减少。随着再生次数的增加，[N1111][Gly]水溶液的再生效率和CO2解吸速率仅略微下降，且贫液保持较好的CO2吸收能力。基于新液（初次吸收CO2前的吸收液）及再生贫液（再生后的吸收液）吸收 CO2的实验数据，建立了[N1111][Gly]水溶液吸收 CO2动力学模型，新液及373、383和393 K再生后的贫液的吸收速率常数K分别为：0.01187，0.00511，0.0103和0.01131 s-1。Weibull方程能较好描述[N1111][Gly]水溶液再生过程中再生效率与时间的关系。 [N1111][Gly]+AMP复合吸收剂再生实验表明：与AMP相比较，该复合吸收剂表现出更好的热稳定性和化学稳定性，多次再生后无副产物产生，但与[N1111][Gly]水溶液相比，其稳定性变差。[N1111][Gly]的加入，对[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂的再生效率和CO2解吸速率具有促进作用，但促进作用随[N1111][Gly]浓度的增加而趋于减小。在实验考察范围内，0.95 mol L-1 AMP+0.3 mol L-1[N1111][Gly]配比的复合吸收剂具有最佳吸收及解吸 CO2性能。与[N1111][Gly]水溶液类似的是，再生温度在373-383 K范围内，[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂的再生效率和CO2解吸速率随着再生温度的增大而增大；当再生温度大于383 K时，再生温度的增大对其再生效率几乎没有影响，但对CO2解吸速率具有明显的促进作用，且达到完全解吸所需的时间明显减少。随着再生次数的增加，[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂再生效率和CO2解吸速率仅略微下降，且贫液能保持较好的吸收能力。基于阻尼膜理论，建立了[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂吸收CO2动力学模型，新液及373、383和393 K再生后的贫液的吸收速率常数K分别为：0.01187，0.00511，0.0103和0.01131 s-1。Weibull方程也能较好描述[N1111][Gly]+AMP复合吸收剂再生过程中再生效率和时间的关系。